1)led防爆燈芯片的發(fā)光效率提升

　　led芯片發(fā)光效率的提高決定著未來(lái)led路燈的節(jié)能能力，隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，外延片的內(nèi)量子效率已有很大提高。要如何滿足路燈使用的標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上取決于如何從芯片中用少的功率提取多的光，簡(jiǎn)單而言，就是降低驅(qū)動(dòng)電壓，提高光強(qiáng)。傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)的led芯片，一般需要在p-GaN上鍍一層半透明的導(dǎo)電層使電流分布更均勻，而這一導(dǎo)電層會(huì)對(duì)led發(fā)出的光產(chǎn)生部分吸收，而且p電極會(huì)遮擋住部分光，這就限制了led芯片的出光效率。而采用倒裝結(jié)構(gòu)的led芯片，不但可以同時(shí)避開(kāi)P電極上導(dǎo)電層吸收光和電極墊遮光的問(wèn)題，還可以通過(guò)在p-GaN表面設(shè)置低歐姆接觸的反光層來(lái)將往下的光線引導(dǎo)向上，這樣可同時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電壓及提高光強(qiáng)。(見(jiàn)圖1)另一方面，圖形化藍(lán)寶石襯底(PSS)技術(shù)和芯片表面粗糙化技術(shù)同樣可以增大led芯片的出光效率50%以上。PSS結(jié)構(gòu)主要是為了減少光子在器件內(nèi)全反射而增加出光效率，而芯片表面粗糙化技術(shù)可以減少光線從芯片內(nèi)部發(fā)射到芯片外部時(shí)在界面處發(fā)生反射的光線損失。目前，led芯片采用倒裝結(jié)構(gòu)和圖形化技術(shù)，1W功率芯片白光封裝后，5000K色溫下，光效高達(dá)到134lm/W。

　　2)led防爆燈芯片的壽命和可靠性

　　芯片的結(jié)溫和散熱

　　散熱問(wèn)題是功率型白光led需重點(diǎn)解決的技術(shù)難題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到路燈的壽命和節(jié)能效果。led是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光的，其光譜中不含有紅外部分，所以led的熱量不能靠輻射散發(fā)。如果led芯片中的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，會(huì)加速器件的老化。一旦led的溫度超過(guò)高臨界溫度(跟據(jù)不同外延及工藝，芯片溫度大概為150℃)，往往會(huì)造成led永久性失效。有效地解決led芯片的散熱問(wèn)題，對(duì)提高led路燈的可靠性和壽命具有重要作用。要做到這一點(diǎn)，直接的方法莫過(guò)于提供一條良好的導(dǎo)熱通道讓熱量從結(jié)往外散出。在芯片的級(jí)別上，與傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)以藍(lán)寶石襯底作為散熱通道相比，垂直及倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)有著較佳的散熱能力。垂直結(jié)構(gòu)芯片直接采用銅合金作為襯底，有效地提高了芯片的散熱能力。倒裝焊(Flip-Chip)技術(shù)通過(guò)共晶焊將led芯片倒裝到具有更高導(dǎo)熱率的硅襯底上(導(dǎo)熱系數(shù)約120W/mK，傳統(tǒng)正裝芯片藍(lán)寶石導(dǎo)熱系數(shù)約20W/mK)，芯片與襯底間的金凸點(diǎn)和硅襯底同時(shí)提高了led芯片的散熱能力，保障led的熱量能夠快速?gòu)男酒袑?dǎo)出。

　　芯片的ESD保護(hù)

　　另外，抗靜電釋放(ESD)能力是影響led芯片可靠性的另一因素。藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片其正負(fù)電極均位于芯片上面，間距很小；對(duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化簿層厚度僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力有限，很容易被靜電擊穿，使器件失效。為了防止靜電對(duì)led芯片的損害，一方面可以采用將生產(chǎn)設(shè)備接地和隔離人體靜電等生產(chǎn)管理方法，另一方面可以在led芯片中加入齊納保護(hù)電路。在應(yīng)用到路燈領(lǐng)域中，傳統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)ESDHBM高約為2000V，通常需要在封裝過(guò)程中通過(guò)金線并聯(lián)一顆齊納芯片以提高ESD防護(hù)能力，不僅增加封裝成本和工藝難度，可靠性也有較大的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)在硅襯底內(nèi)部集成齊納保護(hù)電路的方法，可以大大提高led芯片的抗靜電釋放能力(ESDHBM=4000~8000V)，同時(shí)節(jié)約封裝成本，簡(jiǎn)化封裝工藝，并提高產(chǎn)品可靠性。

　　3)實(shí)例介紹倒裝芯片的穩(wěn)定性

　　led路燈通常為60-200W左右，目前主要采取兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種是通過(guò)“多顆芯片金線串并聯(lián)的模組”和“多顆led通過(guò)PCB串并聯(lián)”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高瓦數(shù)。無(wú)論哪種實(shí)現(xiàn)方式，均要求在封裝過(guò)程中通過(guò)焊線(Wire-bonding)的方式實(shí)現(xiàn)芯片與支架的電路連接，而焊接過(guò)程中瓷嘴對(duì)led的芯片的沖擊是導(dǎo)致led漏電、虛焊等主要原因，傳統(tǒng)正裝和垂直結(jié)構(gòu)led，電極位于芯片的發(fā)光表面，因此焊線過(guò)程中瓷嘴的正面沖擊極易造成發(fā)光區(qū)和電極金屬層等的損傷，在led芯片采取倒裝結(jié)構(gòu)中，電極位于硅基板上，焊線過(guò)程中不對(duì)芯片進(jìn)行沖擊，極大地提高封裝可靠性和生產(chǎn)良率。

　　led芯片的封裝要求

　　作為led路燈的核心器件，led芯片的性能需要通過(guò)led封裝工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)光效、壽命、穩(wěn)定性、光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱等能力的提升。由于芯片結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)應(yīng)的封裝工藝也有較大的差異。

　　光效提升

　　正裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的芯片是GaN與熒光粉和硅膠接觸，而倒裝結(jié)構(gòu)中是藍(lán)寶石(sapphire)與熒光粉和硅膠接觸。GaN的折射率約為2.4，藍(lán)寶石折射率為1.8，熒光粉折射率為1.7，硅膠折射率通常為1.4-1.5。藍(lán)寶石/(硅膠+熒光粉)和GaN/(硅膠+熒光粉)的全反射臨界角分別為51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封裝結(jié)構(gòu)中由藍(lán)寶石表面射出的光經(jīng)由硅膠和熒光粉界面層的全反射臨界角更大，光線全反射損失大大降低。同時(shí)，芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同，導(dǎo)致電流密度和電壓的不同，對(duì)led的光效有明顯的影響。如傳統(tǒng)的正裝芯片通常電壓在3.5V以上，而倒裝結(jié)構(gòu)芯片，由于電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電流分布更均勻，使led芯片的電壓大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，在同樣光通量的情況，倒裝芯片的光效比正裝芯片光效約高16-25%左右。

　　可靠性提升

　　led的可靠性由led芯片、熒光粉、硅膠、支架、金線等材料共同決定，其中l(wèi)ed芯片產(chǎn)生的熱量如不能快速導(dǎo)出，將直接影響led芯片的結(jié)溫和熒光粉、硅膠的可靠性。目前熒光粉根據(jù)體系不同，耐高溫能力也有較大的差別，通常熒光粉在100-120℃以上開(kāi)始有衰減，因此如何降低led芯片表面的溫度成為提高led可靠性的關(guān)鍵因素。垂直結(jié)構(gòu)芯片能夠通過(guò)金屬襯底將熱量快速導(dǎo)出至支架中，芯片表面溫度較低，正裝芯片熱量通過(guò)藍(lán)寶石導(dǎo)出至支架中，由于藍(lán)寶石導(dǎo)熱率較低(約20W/mK)，熱量無(wú)法快速導(dǎo)出，逐漸累積，對(duì)熒光粉的可靠性影響較大。倒裝結(jié)構(gòu)的芯片的熱量絕大部分向下通過(guò)金凸點(diǎn)快速導(dǎo)入至硅基板(導(dǎo)熱率約120W/mK)中，再由硅基板導(dǎo)入支架中，而向上由于藍(lán)寶石導(dǎo)熱率低，只有小部分熱量積累在藍(lán)寶石中，實(shí)現(xiàn)熱(向下導(dǎo)出)和光的分離(向上射出)設(shè)計(jì)，同時(shí)藍(lán)寶石的表面溫度較低，可以延長(zhǎng)熒光粉的老化周期，大大提高led的可靠性和壽命。同時(shí)，由于倒裝結(jié)構(gòu)的良好散熱設(shè)計(jì)，倒裝1W芯片可以具有更好的L-I線性關(guān)系和飽和電流容忍能力及大電流承受能力。倒裝1W功率芯片可支持長(zhǎng)期室溫780mA大電流老化。
　　1W功率芯片安裝的路燈實(shí)例分析照明效果

　　led倒裝芯片以其低電壓(3.0V以下)、高光效(100-110lm/W)、高穩(wěn)定性而逐漸被國(guó)內(nèi)大多數(shù)燈具廠家應(yīng)用于路燈照明中。現(xiàn)以一客戶用倒裝芯片安裝的路燈為例對(duì)高壓鈉燈和led路燈進(jìn)行對(duì)比分析。港前大道在改造前采用400W(頂燈)+150W(腰燈)高壓鈉燈路燈，每桿日耗電量為6.6度，改造后采用180W(頂燈)+60W(腰燈)led路燈，每桿日耗電量為3.1度，道路照明質(zhì)量完全達(dá)到城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)CJJ-45-2006的要求，節(jié)能53%。采用德國(guó)LM-1009道路專用窄視角亮度計(jì)，按道路照明亮度測(cè)量方法(測(cè)量?jī)x器位于距離起始被測(cè)點(diǎn)60米處，儀器高度1.2米，沿車(chē)道中心線測(cè)量?jī)蔁魲U間亮度高和低處，逐點(diǎn)測(cè)量)，改造前該路面大照度為42Lx，小照度為8Lx，平均照度30Lx，均勻度0.3；改造后該路面大照度為23Lx，小照度為12Lx，平均照度18Lx，均勻度0.75。

　　由于led光源的顯色性在70以上，亮度分布均勻，對(duì)目標(biāo)的辨別能力遠(yuǎn)好于顯色指數(shù)為23的高壓鈉燈，在道路照明的條件下(中間視覺(jué))，適當(dāng)降低白光led的照度要求(降低1/3)，可以達(dá)到與高壓鈉燈同等的照明效果。此次在港前大道更換使用led路燈后，路面總體均勻度、縱向均勻度、橫向均勻度均達(dá)到了0.70以上，取得很好的照明效果。

　　未來(lái)led的芯片發(fā)展方向

　　目前高功率的led路燈主要通過(guò)“多顆芯片金線串并聯(lián)”和“多顆led通過(guò)PCB串并聯(lián)”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者由于芯片之間需要進(jìn)行光電參數(shù)的匹配，且多顆金線串并聯(lián)封裝的工藝不可靠性和低封裝良率，一直未被廣泛使用。而后者則需要對(duì)多顆led進(jìn)行嚴(yán)格的光電參數(shù)匹配，且光學(xué)設(shè)計(jì)困難。因此，“芯片級(jí)”模組化產(chǎn)品是未來(lái)led芯片的一個(gè)重要發(fā)展方向。芯片級(jí)led模組，單顆芯片間通過(guò)基板內(nèi)的電路實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)連接，解決傳統(tǒng)模組集成依靠金線進(jìn)行串并聯(lián)的問(wèn)題，大幅度提升產(chǎn)品良品率，極大地降低了整個(gè)封裝流程的生產(chǎn)成本，嚴(yán)格控制集成模組芯片的各芯片間的參數(shù)差異，保證模組芯片長(zhǎng)期使用的可靠性，同時(shí)模組芯片可以作為單元，進(jìn)行串并聯(lián)拼接，形成更大功率的模組。利用倒裝技術(shù)，可以在“芯片級(jí)”上實(shí)現(xiàn)不同尺寸、顏色、形狀、功率的多芯片集成，實(shí)現(xiàn)超大功率模組產(chǎn)品，這是任何其它的芯片技術(shù)不能達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。